晶化反应釜结构及温度控制系统设计（含CAD图纸）

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Inner tube is a dye and an organic solvent medium and the design pressure is 0.8Mpa.jacket cooling medium is water or steam and the design pressure ois 0.8MPa; The main material is 16MnR, stirring speed is 85r/min, Dielectricviscosity is2000cP,reactor volume is8m3,shaft power is 1.5KW and the reactor Operating temperature is190℃,the Jacket Operating temperature is 250℃. Stirred tank reactor is mainly composeof the cylinder and the jacket ，mostly in medium and low-pressure vessels.The mixing device composed by a stirrer and agitator shaft.The gearing is set for the stirring device, mainly consists of motor, reducer, couplings and shafts and other components; seal device is dynamic seal, generally use mechanical seal or packing.All of them with support, manholes, and other accessories with the takeover process constitute a complete stirred tank reactor. Pressure vessel design using conventional design methods, follow the "chemical equipment designed handbook" requirement, according to GB150-1998 "steel pressure vessel" and other technical enforcement.The designed mainly includes kettle body (inner tube and jacket) strength, structural design, school nuclear and hydraulic test, stirring device design and checking, gear design and other reactor components design. Reactor as a stirring device has broad application prospects, especially in the oil and chemical industry it has been even more widely used. Keywords: reactor；Structural design； stirring device；gearing；Temperature control system. 目录 摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 目录 Ⅲ 第1章 绪论 1 1.1 反应釜的基本结构与原理 1 1.2 晶化反应釜的特点 1 1.3 基本设计要求 2 第2章 晶化反应釜结构设计 3 2.1 总体结构的确定 3 2.1.1 确定釜体内径 3 2.1.2 封头的选型 4 2.1.3 筒体高度H的设计 4 2.1.4 釜体高径比和装料系数的复核 4 2.2 筒体及封头厚度的设计 5 2.2.1 筒体壁厚的设计 5 2.2.2 封头厚度的设计 6 2.3 筒体及封头的强度校核 6 2.3.1 筒体的强度校核 6 2.3.2 封头的强度校核 7 2.4 外压校核 7 2.4.1 筒体外压校核 7 2.4.2 封头外压校核 8 第3章 夹套设计 10 3.1 确定夹套尺寸 10 3.2 确定夹套厚度 10 3.3 确定夹套封头厚度 11 3.4 夹套封口锥计算 12 第4章 搅拌器设计 13 4.1 确定反应釜搅拌器形式 13 4.2 搅拌器位置尺寸关系 13 4.3 搅拌功率计算 14 4.4 搅拌器强度计算 15 4.4.1 搅拌器设计功率 15 4.4.2 搅拌器桨叶弯曲许用应力 16 4.4.3 桨叶根部弯曲许用应力 17 4.5 搅拌轴的设计与校核 17 4.5.1 搅拌轴的机械计算 18 4.5.2 根据临界转速核算搅拌轴轴径 18 4.5.3 按强度计算搅拌轴的轴径 21 4.5.4 由径向力引起的轴的弯矩MR计算 21 第5章 反应釜其他附件及开孔补强计算 27 5.1 工艺接管的设计 27 5.2 接管垫片尺寸及材质 28 5.3 法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料 28 5.4 人孔的设计 29 5.5 视镜的选型 30 5.6 支座的选型与校核 30 5.6.1支座的选型及尺寸设计 30 5.6.2 反应釜支座型式强度校核计算 31 5.7 补强及补强方法判别 34 5.7.1 补强判别 34 5.7.2 等面积补强计算 34 5.7.3 允许开孔的范围 34 5.7.4 所需最小补强面积A对于受内压的圆筒或球壳 34 5.7.5 有效补强范围 35 5.7.6 补强范围内补强金属面积 Ac 37 第6章 压力试验与无损检测 39 6.1 压力试验 39 6.2无损检测 41 第7章 温度控制系统 42 第8章 工程定额概算及污染防治 45 8.1 原材料的价格 45 8.2 反应釜的定额基价表 47 8.3 环境分析 49 8.3.1化工生产中的节能与环保措施 49 8.3.2 对化工“三废”中污染物质的防治方法 50 结论 52 参考文献 53 致谢 54 第1章 绪论 1.1 反应釜的基本结构与原理 反应釜是广泛应用于石油、化工、橡胶、农药、染料、医药、食品，用来完成硫化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程的压力容器，高压反应釜由反应容器、搅拌器及传动系统、冷却装置、支座、人孔及附件等组成。   反应釜材质一般有碳锰钢、不锈钢、锆、镍基（哈氏、蒙乃尔）合金及其它复合材料。反应釜可采用SUS304、SUS316L等不锈钢材料制造。搅拌器有锚式、框式、桨式、涡轮式，刮板式，组合式，转动机构可采用摆线针轮减速机、无级变速减速机或变频调速等，可满足各种物料的特殊反应要求。密封装置可采用机械密封、填料密封等密封结构。加热、冷却可采用夹套、半管、盘管、米勒板等结构，加热方式有：蒸汽、电加热、导热油，以满足耐酸、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等不同工作环境的工艺需要。而且可根据用户工艺要求进行设计、制造。 反应釜的工作原理是在内层放入反应溶媒可做搅拌反应，夹层可通上不同的冷热源（冷冻液，热水或热油）做循环加热或冷却反应。通过反应釜夹层，注入恒温的（高温或低温）热溶媒体或冷却媒体，对反应釜内的物料进行恒温加热或制冷。同时可根据使用要求在常压或负压条件下进行搅拌反应。物料在反应釜内进行反应，并能控制反应溶液的蒸发与回流，反应完毕，物料可从釜底的出料口放出，操作极为方便。 1.2 晶化反应釜的特点 晶化反应,是在化学反应中物质结晶的过程,晶化与结晶(凝固)既有共同点，又有区别。结晶是指晶体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融混合物中析出的过程。结晶的驱动力是过饱和度，经历了晶核形成和晶体逐渐长大的过程。而晶化过程还需要考虑物质结构改变所需的应变能和表征非晶晶化难易程度的表观激活能。 晶化反应釜主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形成通常由工艺设计而定；传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座、人孔、工艺管等附件一起，构成完整的结晶反应釜。结晶反应釜是物料混合反应后，夹层内需冷冻水或冷媒水急剧降温的结晶设备，其关键环节在于夹层换热面积的大小，搅拌器的结构形式和物料出口形式，罐体内高精度抛光，以及罐体内清洗无死角的要求来满足工艺使用条件。结晶反应釜是化工、制药、食品等行业的物料混合、加温、降温、搅拌等国内过程中的混合反应设备。由于工艺和介质不同，设备的搅拌形式、转速、加温和降温的要求不同。该设备的设计选材、结构和减速机防爆与不防爆要求也不同。从工艺上讲：一般情况是要控制结晶过程的温度和速度，防止降温面局部过冷造成过饱和结晶。 1.3 基本设计要求 对结晶釜的结构及温度控制系统进行设计，结构设计和强度计算满足给定的工艺要求，严格按照反应器及压力容器的相关设计标准和规范进行设计，主要设计参数见表1-1。 表1-1 主要设计参数 项目 反应釜 夹套 操作温度℃ 190 250 操作压力MPa 0.8 0.8 物料名称 催化剂 导热油 介质粘度 2000cP 物料密度 1000kg/m3 容积m3 8.0 搅拌速度rpm 8.5 12 第2章 晶化反应釜结构设计 2.1 总体结构的确定 2.1.1 确定釜体内径 由文献《过程设备设计》表8-5可知几种搅拌设备筒体的高径比如表2-1： 表2-1 几种搅拌设备筒体的高径比 种类 罐内物料类型 高径比 一般搅拌罐 液-固相、液-液相 1-1.3 一般搅拌罐 气-液相 1-2 聚合釜 悬浮液、乳化液 2.08-3.85 发酵罐类 发酵液 1.7-2.5 由给定参数：反应釜内介质为催化剂和导热油，由表选取高径比i=2 将釜体视为筒体，由V=(π/4)Di2L，H=2Di则， （2-1） 式中 V———工艺给定容积，m3 本设计书中规定V=8m3，求得Di=1720mm， 圆整后DN=1800mm。 本文设计的反应釜主要用于结晶反应，物料反应状态平稳，因此选取反应釜装料系数η =0.75。 釜内介质有腐蚀性，材料应选用不锈钢，计算壁厚超过了 12mm，有违材料选择的一般原则， 故选用内部为不锈钢衬里结构，外部为普通碳素钢，这里所选材料为16MnR(GB6654)。 设计参数的确定： 操作压力p： p=0.8MPa； 计算压力pc： pc=0.85MPa； 许用应力[σ]t： 根据材料16MnR、t=250℃，查表得[σ]t＝156； 焊缝系数j： j＝0.85，局部无损探伤； 钢板负偏差C1： 查表得C1＝0.25mm； 腐蚀裕量C2： C2＝1.0mm（双面腐蚀）。 2.1.2 封头的选型 本设计选用标准标准椭圆型封头，根据查JB/T 4737-95表4-2 “以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸”得以DN=1800mm的标准椭圆形封头数据为： 直边高度h1： 25mm 体积VF： 0.8270m3 曲边深度h2： 450mm 内表面积A： 3.6535m2 图2-1 椭圆型封头示意图 2.1.3 筒体高度H的设计 （2-2） = =3320mm 并根据高径比为2，圆整得: H =3500 2.1.4 釜体高径比和装料系数的复核 （2-3） V = VT+VF =8.91+0.827 = 9.73m3 >8m3 （2-4） η = V0 / V = 6÷9.73 = 0.69（2-5） i= = (H+h1+h2)/Di =3500/1800 =1.94 （2-6） 以上均符合条件。 2.2 筒体及封头厚度的设计 2.2.1 筒体壁厚的设计 表2-2 钢制压力容器的焊接接头系数φ值 焊接接头形式 无损检测比例 φ值 双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接街头 100% 1.00 局部 0.85 单面汗对接接头沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板 100% 0.90 局部 0.80 由公式设计壁厚 （2-7） 式中： Pc———筒体计算压力； Di———筒体内径； [σ]t———设计温度下圆筒材料的许用应力； j ———焊缝系数。 代入数值： = =5.79mm 由HG20580-1998对材料的厚度附加量进行确定，C1=0.25,C2=1 δn=δ+C1+C2+ΔC=7mm （2-8） C=C1+C2=1.25mm δe = δn - C =5.75mm 式中： δe ———有效厚度 δ ———计算厚度 δn ———名义厚度 求得筒体厚度为： (1)筒体计算厚度δ=5.79mm (2)筒体名义厚度δn=7mm (3)筒体有效厚度δe=5.75mm 2.2.2 封头厚度的设计 由公式计算封头厚度： （2-9） 代入数值： = =4.9mm 由HG20580-1998对材料的厚度附加量进行确定，C1=0.25,C2=1 δn=δ+C1+C2+ΔC= 6mm （2-10） C=C1+C2=1.25mm δe = δn - C =5mm 同样求得封头厚度为： （1）封头计算厚度δ1=4.9mm （2）封头名义厚度δn1=6mm （3）封头有效厚度δe1=5mm 2.3 筒体及封头的强度校核 2.3.1 筒体的强度校核 筒体的允许应力： σ = （2-11） 代入数值： 最大允许工作压力： [Pw]= （2-12） 式中： [Pw] ]——最大允许工作压力 [σ]t ——设计温度下筒体材料的许用应力 代入数值： [Pw] = ， 故δn = 7mm 符合内压要求。 2.3.2 封头的强度校核 封头最大允许工作压力： [Pw]= （2-13） 式中： K———椭圆开封头的形状系数，标准椭圆封头 K=1 代入数值： = 故 δn1 = 6mm合理。 2.4 外压校核 2.4.1 筒体外压校核 P设= 0.85MPa ，夹套长度计算： V’ = VR-—VF ==7.173 求得H’=2.82m，取H’=3000m。封头直边高度h0=25mm 外压计算长度： L = H’ + 25 + = 3175mm L/D0= D0/δe= 查图GB150-19986-2 由内插法得A=0.0001，查图 6-5 A 在设计温度线左侧， [p] = （2-14） 所以 δn=7mm不能符合外压要求，需要重新选择δn 。 取 δn =22mm，C1=0.25，C2=1 ，δe=δn-C=20.75mm，封头直边高度为 h0=40mm。 L = H’+40+3000+40+150=3190mm≈3200mm L/D0= D0/δe=88.88 查图 GB150-1998 6-2 由内插法得 A=0.0001，查图 6-5，由内插法得t=2500C时，B=90， [p]= (2-15) 所以 δn=22mm符合要求，确定筒体 δn=22mm。 2.4.2 封头外压校核 取 δn =16mm，C1=0.25，C2=1,s C= 14.75mm 根据《过程设备设计手册》P127表4-5用内插法查得K1=0.89， R0=K1D0=1612.7mm A= 查图 GB150 6-5，由内插法得t=2500C 时，B=102.5， [p]= = 所以封头n=16mm符合外压要求。为使筒体与封头焊接处不出现削弱筒体强度的情况，将封头厚度增加到与筒体厚度一样，δn =22mm ,仍然符合外压要求。 至此求得筒体厚度为： （1）筒体名义厚度δn=22mm （2）筒体有效厚度δe=20.75mm 封头厚度为： （1）封头名义厚度δn1=22mm （2）封头有效厚度δe1=20.75mm 因封头厚度增大至 δn1=22mm 》20mm ，封头高度取h1=50mm,因此根据查JB/T 4737-95表4-2 “以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸”得以DN=1800mm、h1=50mm的标准椭圆形封头数据为： 表3-1 封头尺寸 直边高度h1 总深度h2 容积VF 内表面积A 50mm 450mm 0.8906m3 3.7949m2 第3章 夹套设计 所谓夹套就是在容器的外侧，用焊接或法兰连接的方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外币形成密闭的空间，在此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容器内的物料。根据其工况，可选用整体夹套中的 U 型夹套。由于选用导热油来充当传热介质，导热油本身几乎没有腐蚀性，故筒体选用的材料 16MnR 无需进行额外的防腐处理，而夹套选用材料也可避免选用价格昂贵的不锈钢材料，可以选择与筒体材料相同的 16MnR 即可。 3.1 确定夹套尺寸 据容器装液的液深高度约为2800mm，故夹套筒体高度必须要大2800mm，考虑到液体搅拌时产生漩涡，在此设计夹套筒体高度为3000mm，夹套内工作压为0.8MPa，其设计压力定为0.85MPa。夹套内径与筒体内径之比： D2/D1≤1.2 （3-1） 式中： D1 ――筒体的内径； D2 ——夹套的内径； 因筒体内径 D1＝1800mm，则夹套内径应小于2160mm。根据封头的公称直径，夹套内径D2Î（1900,2000），在此选择夹套的内径D2=2000mm，对应的封头的公称直径DN=2000mm。 3.2 确定夹套厚度 可利用筒体厚度计算公式来计算夹套筒体厚度，夹套的材料选用为16MnR,在工作温度t=2500C 时，16MnR的[σ]t= 156MPa ，无损检测20%局部探伤，焊缝系数j=0.85。 = =6.83mm δn = δ + C +△C=10mm ， δe = δn - C=8.75m 夹套筒体的允许应力： σ = 代入数值： 最大允许工作压力： [Pw]= = 故δn = 10mm 符合内压要求。 3.3 确定夹套封头厚度 确定夹套封头厚度同样可以利用封头内计算公式，材料与夹套筒体相同，选用16MnR，在工作温度t=2500C时，16MnR 的 [σ]t=156MPa ，焊缝系数j=1 。 夹套封头厚度计算： = =5.46mm δ’n = δ’ + C +△C=7mm ， δ’e = δ’n - C=5.75mm。 故封头可以选用与夹套筒体相同的厚度且符合要求。 表3-1 封头尺寸 直边高度h1 总深度h2 容积VF 内表面积A 40mm 500mm 1.1729m3 4.5873m2 3.4 夹套封口锥计算 封头的下部结构大致如图3-1： 图 3-1 夹套下封头的结构 封口锥的半顶角应为300或450，这里选用450的半顶角。封口锥的转角半径就为： 式中： e0――容器外壁至夹套壁中面的距离 ； S2 ――夹套筒体，封口锥的实际壁厚 ； S1 ――搅拌器容器筒体的实际壁厚 ； e0=0.5[(D2+S2)-(D1+2S1)] = ， 所以go 取100合适。 第4章 搅拌器设计 4.1 确定反应釜搅拌器形式 从搅拌操作目的分析搅拌器要求，诸如某过程要求对流循环好或者某过程要求剪切力强等等到，继而分析了搅拌器的功能，在此基础上就可以根据搅拌目的来选择搅拌器形式。或者从一种搅拌器的功能来判断它适用于哪些搅拌过程。各种搅拌器过程对搅拌的要求有共性而各种搅拌器的性能也有共性，这样往往是适于某一种搅拌操作的可能有几种形式的搅拌器，而同一种搅拌器也可以用于几种搅拌过程。当然严格的说，还是各有所长的，诸如粘度高低、容器大小、转速范围等等， 都会影响搅拌器的使用效果。 选型的资料比较多，但是由于影响搅拌过程的因素复杂，各自实验的重点不同，彼此的结果也有不相一致的地方。如有的资料介绍某种桨型应用范围窄，而另外的资料则介绍的应用范围宽。这也说明多数情况下的选型不是绝对的，使用范围也是有弹性的。根据筒体Di=1800mm，转速 n=85rpm，介质粘度t，即，查《过程设备设计》P330表8-11、8-12综合分析，晶化反应釜选用多层桨式搅拌器，由分析可选用直叶桨式搅拌器。 4.2 搅拌器位置尺寸关系 搅拌器在搅拌容器中的位置尺寸关系见表4-1 表4-1 搅拌器在搅拌容器中的位置尺寸关系 根据上表可求得： C=(0.15～0.25) Di； （4-1） C 取 0.25 Di =450mm； Sp=（0.3 ~ 0.4）Di，此处Sp 取0.4Di； 则Sp= 720mm； 查《化工设备设计手册》表10-1得，直叶桨式搅拌器主要尺寸： 图4-1 直叶桨式搅拌器简图 Dj/Di = 0.35~0.80 ； （4-2） b/Dj = 0.1~0.25 ； （4-3） 取Dj/Di=0.39 ，得Dj= 700mm ; 取b/Dj =0.14 ，得b = 90mm ； 挡板宽度 Wb=Di=150mm ； Sb= 0.2Wb = 30mm ;挡板数量Zb=4（标准数量）。 S =Hi-C =3490mm，，故选择4层搅拌器。 4.3 搅拌功率计算 搅拌器的搅拌功率按下列通用公式计算，即 （4-4） 式中： Po———功率准数 ； K ———功率准数校正总系数 ； p 介质密度 r1000kg /m3 ， 转速n = 85rpm = 1.4r / s ，搅拌器圆周速度V = 3.1m / s 。 雷诺准数： （4-5） 式中： m———介质粘度 ； n———搅拌器的叶轮转速 ； 代入计算得： =343 （属于过渡流区） 根据《化工设备设计手册》P860图10-29查得Po=0.55，由于所选的为同一类型搅拌器，则 P1= P2=P3=P4=0.55 ， 因此得搅拌器功率准数k： ； k2 《 2.5（用于2个以上搅拌器）此处取k2 = 2.5； ； 单个搅拌器功率为： = 四个搅拌器均相同，则搅拌器总功率为： Ps= 4.4 搅拌器强度计算 搅拌轴的计算主要包括轴的强度和扭转计算，同时还需对轴挠曲变形校核，以确定轴的最小截面尺寸，保证搅拌轴的安全平稳运转。 4.4.1 搅拌器设计功率 电动机的计算功率： （4-6） 式中： Ps ——搅拌轴轴功率，kW； Pm ——搅拌轴轴封处的磨损功率，kW； h1 —— 搅拌机传动装置各零部件的传动效率； 电动机选择之前需要进行减速机的选择，由《过程设备设计》P343 表 8-18 可知，n =85r/min时可选用摆线针齿行星减速机，此减速机h1 介于0.9~0.95，此处选取h1=0.95轴封选用双端面机械密封。Pm相对于Ps极小，可以忽略不计。 则代入计算得： 电动机功率应大于5kw，减速机选用BLD5.5-3-17 。 每层搅拌器的设计功率： （4-7） 式中： PN ——搅拌功率 h1 ——传动机械效率 Pm ——电机功率 Z ——搅拌器的数量 由于介质具有腐蚀性，搅拌器的材料选用不锈钢OCr18Ni 9 ，其[σ]t=520MPa. 4.4.2 搅拌器桨叶弯曲许用应力 [σ] = （4-8） 表4-2 安全系数nb 材料 不锈钢 铸不锈钢 碳钢 铸钢 铸铁 nb 3.5 5 3 4.2 8 因为搅拌器的材料选用不锈钢，则此处取nb=3.5。 4.4.3 桨叶根部弯曲许用应力 (1) 所受的弯矩M1： （4-9） (2) 抗弯断面模数： （4-10） 式中： b ———桨叶宽度 ； ZB ———桨叶上的螺栓个数； db ———螺栓的螺纹大径； 根据搅拌器宽度b= 100mm ，单个搅拌器上螺栓数为ZB=4 ,δn=16mm ， δe = 16 -C=14.75mm。 （3）弯曲应力σ1 =149MPa （4-11） 搅拌器桨叶强度符合要求。 4.5 搅拌轴的设计与校核 根据减速机的出轴轴径选择对应的安装底盖与机架，由于搅拌轴过长，应选用单跨轴结构，具有底轴承，选用单支点支架。 轴的受力计算长度： L =L罐体 +h1 +h2 +h安装底盘 +h机架＋h底轴承 = 4765mm 第一层搅拌器距图纸上点 A（上凸缘联轴器） 距离L1 = 4565mm ； 第二层搅拌器距图纸上点 A 距离L2 = 3845mm ； 第三层搅拌器距图纸上点 A 距离:L3 = 3125mm ； 第四层搅拌器距图纸上点 A 距离:L4 = 2405mm ； 4.5.1 搅拌轴的机械计算 按扭转变形计算搅拌轴的轴径 受扭转变形控制的轴径d1由以式4-12计算，即 （4-12） 式中 [ g[γ]———轴的许用扭转角，(o)/m，,对于单跨轴, [γ]=0.7o/m； Mmax———搅拌轴传递的最大扭矩， (4-13) 选用非空心轴，N04=0，G=7.4×104MPa。 计算轴径d1： （本设计初选70mm） 根据搅拌轴轴径计算扭转角γ： （4-14） 4.5.2 根据临界转速核算搅拌轴轴径 搅拌轴的有效质量的计算: 对单跨轴： （4-15） =21.2kg 刚性搅拌轴的搅拌器有效质量等于搅拌器自身质量加上搅拌器附带的液 体质量，其计算公式为： kg （4-16） 式中： ―――第个搅拌器直径，mm； ――第个搅拌器的桨叶宽度，mm； ――第个搅拌器的附加质量系数 查《化工设备设计手册》表10-41得，此处； 各层搅拌器均为同型式搅拌器，有效质量均相等，则每一个搅拌器 质量kg 搅拌轴的临界转速的计算: 为了延长搅拌设备的寿命，避免轴和设备的损坏，需要从弹性振动方面验算转轴，尤其是高速转轴，所谓从弹性振动方面来验算转轴，是指求出转轴的临界速度，从而选定轴系的尺寸，使由转轴所产生的振动得以减少或消除。 当轴的转速达到轴的自振频率时，轴会发生强烈的振动，并出现很大的弯曲现象，引起这种现象的转轴速度，叫做转轴的临界速度。对应于这个速度的轴的转数，就叫做临界转速。假如轴的转速保持在临界转速或相近于它的那个危险范围以内，则轴的挠度将迅速增大，以致达到使轴发生破坏的程度。但如能把轴的转数迅速提高，转轴即可安全越过这个危险速度。在轴转数超过临界转数后，振动迅速减小，转轴又重新恢复稳定。 对于单跨轴： （1）轴的有效质量在中点处的相当质量按下式计算 （4-17） （2）第一层搅拌器在中点处的相当质量 （4-18） （3）第二层搅拌器在中点处的相当质量 （4）第三层搅拌器在中点处的相当质量 （4）第四层搅拌器在中点处的相当质量 （5）在s点处所有相当质量的总和： （4-19） 代入数值得 （6）轴的临界转速 r/min （4-20） 代入数值得 通过临界转速校核轴径合格。根据减速机的出轴轴径以对应的搅拌轴轴径搭配，设计选择d1= 60mm。 4.5.3 按强度计算搅拌轴的轴径 搅拌轴轴径的强度计算公式4-21 （4-21） 式中： ――搅拌轴材料的许用剪应力， （此处）； ――搅拌轴材料的抗拉强度，； ――搅拌轴的扭矩和弯矩同时作用下的当量扭矩，N·m； （4-22） 式中： ――搅拌轴的扭矩，N·m； （N·m） （4-23） 带入计算得： ――搅拌轴的弯矩总和，N·m； 4.5.4 由径向力引起的轴的弯矩MR计算 (1)单跨支承搅拌轴的径向力弯矩为 （4-24） (2)第个搅拌器上的流体径向力 （4-25） 式中： ――流体径向力系数； 直叶桨式搅拌器的 K 用以公式4-26计算： K1=K1’K1uK1bK1eK1i (4-26) 式中 K1’——基本流体径向力系数； K1u——物料粘度修正系数； K1b ——搅拌容器内平直挡板数的修正系数； K1e ——搅拌器偏心安装修正系数； K1i ——搅拌器容器内件修正系数； 以上各系数根据《化工设备设计手册》P889表10-44得： K '=0.15，K1u= 0.06，K1b = 1，K1e= 1，K1i = 1 代入计算： K1=K1’K1uK1bK1eK1i=0.15 × 0.06 = 0.09 (3) Mnqi———第i 个搅拌器功率产生的扭矩 Mnqi= （4-27） 式中： Pqi———第i个搅拌器的设计功率，kW； Dji———第i层搅拌器的直径，mm： 因每个搅拌器功率产生的扭矩都一样， Mnq1=Mnq2=Mnq3=Mnq4= 则每个搅拌器上的流体径向Fhi也相等， Fh1=Fh2=Fh3=Fh4= (4)搅拌轴与各层搅拌器的组合质量mw： 对于单跨轴： (4-28) 式中： mL———搅拌轴的质量 (4-29) (5)搅拌轴与各层搅拌器组合质量偏心引起的离心力 对于单跨轴: (4-30) 式中 的初值对刚性轴 搅拌器的许用偏心距（在组合的重心处） 式中： ――搅拌轴转速，r/min； ――平衡精度等级mm/s； 一般情况： G=6.3mm/s； 代入计算： （6）搅拌轴与各层搅拌器的质量的重心距轴承的距离 对于单跨轴 （4-31） 代入数值得 mm 将上式结果代入式5-24得 (7)由轴向力引起的搅拌轴弯矩MA M A的粗略计算： 当 P ≥2MPa 或轴上任一搅拌器的 θ= 0 时，取 M A = 0.2 M R 当 P < 2MPa 或轴上任一搅拌器的 θ= 0 时，取 M A = 0 因为 Pc = 0.85 < 2MPa ，故近似M A = 0 ，则 (4-32) （8）按强度计算搅拌轴的直径： mm<70mm 故搅拌轴选直径为70mm符合要求。 4.6 搅拌器其它部件 4.6.1 机架 机架是搅拌釜中的重要设备，搅拌设备的传动装置是通过机架安装在搅拌设备封头上面的，机械密封也是安装在机架下方的空间中的，机架上还带有轴承盒，通过轴承来固定轴，是整个搅拌釜能正常工作的关键。因为反应釜的搅拌轴的长度超过了 2m,需选用单跨轴，所以支座选用单支点支座，如图4-2所示： 图 4-2 公称直径200、250、300mm的A型单支点机架 在搅拌轴的计算中通过其计算功率选择了减速机的型号为：BlD5.5 -3 -17，减速机是安装在机架的上部的，需要与接板与机架相连。通过搅拌轴的校核，得到了搅拌轴的轴径为60mm ，根据这个来选择适当的机架。搅拌轴被设计成了单跨轴的形式，机架可选择单支点机架，即机架上只有一个轴承盒的位置，在设计搅拌轴时，设计了机械密封为不带内置轴承的双端面机械密封，因此，机架也就相应的选择了与机械密封相对应的 A 型单支点机架。机架上的轴承选择角接触轴承，型号为：角接触轴承7217ACJ 。 4.6.2 轴封 机械密封是一种功率小、泄漏率低、密封性能可靠、使用寿命长的旋转轴密封，被广泛地应用于各个技术领域。与填料密封相比，机械密封的泄漏率大约为填料密封的 1%，功率消耗约为填料密封的 30%。机械密封在运转时，除了机械密封自身的浮动补偿环上的辅助密封则伴随浮动环沿轴表面作微小的轴向移动，故对轴或轴套的磨损是微不足道的。因而可免去轴或轴套的维修。由于机械密封有很多优点，因此，在泵、搅拌设备、压缩机上已大量使用。根据国内目前情况，搅拌设备采用的机械密封，其操作压力为12 MPa ，最大轴径为300 mm 。 据资料介绍，国外机械密封已应用到：压力范围从1.3´10-3 MPa 的高真空到25MPa ，轴转速从每小时数转到每分钟 50000 转或更高一些，滑动速度可超过100m /s ，最大轴径（轴套直径）为500mm ，使用温度可从2000C ~450oC轴封是搅拌设备的一个重要组成部分。转轴密封的形式很多，最常用的有填料密封、机械密封、迷宫密封、浮动环密封等。搅拌器轴封的任务是保证搅拌设备内处于一定的正压或真空以及防止反应物料泄出和杂质的掺入，故不是所有的密封都能用于搅拌轴的密封。常用在搅拌釜上的有填料密封和机械密封。 本设计选用了机械密封，型号为 2004 型，不带内置轴承的双端面轴承。因为机械密封比填料密封更可靠，使用寿命更长，且泄漏率大约只是填料密封的百分之一，是一种很有发展前途的密封技术。 第5章 反应釜其他附件及开孔补强计算 5.1 工艺接管的设计 5.1.1 管法兰的确定 化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔。 接管和法兰是用来与管道和其他设备连接的。标准管法兰的主要参数是公称直径和公称压力。 接管的伸长度一-般为从法兰密封面到壳体外径为150mm。 液体出料管的设计主要从无料易放尽、阻力小和不易堵塞等原因考虑。另外还要考虑温差应力的影响。 搅拌设备由于工艺操作的原因，需要进行开孔或设有接管。管法兰标准应参见HG/T20592。 最终选用四种类型，共12件法兰规格如下（其用途名称及安排方式见晶化反应釜装配图）： 1.带颈对焊法兰：HG20592-97 WN80-3RF Pn=1.0。数量4件。 2.带颈对焊法兰：HG20592-97 WN50-3RF Pn=1.0。数量4件。 3.带颈对焊法兰：HG20592-97 WN100-3RF Pn=1.0。数量1件。 4.带颈对焊法兰：HG20592-97 WN80-3RF Pn=1.0。数量2件。 带颈对焊法兰结构简图如图5-1所示： 图5-1 带颈对焊法兰图 密封面为突面（RF）结构简图如图5-2所示： 图5-2 突面法兰 5.1.2 密封面尺寸   突面法兰的密封面尺寸根据图5-2和表5-1的规定；突面法兰的密封面尺寸f、fz包括在法兰厚度C内。 表5-1 突面法兰的密封面尺寸 5.2 接管垫片尺寸及材质 因为法兰选用突面法兰RF型，所以垫片应与之配合也选用突面RF型，根据HG/T20606-2009得垫片结构如图5-3： 图5-3 突面RF型垫片 尺寸如表5-2： 表5-2 突面RF型垫片尺寸 公称通径DN 垫片内径D1 垫片外径D2 垫片厚度T 包边宽度b 50 61 96 1.5 3 80 89 132 1.5 3 100 115 152 1.5 3 5.3 法兰、垫片、螺栓、螺母、垫圈的材料 根据型平焊法兰、工作温度≤110℃的条件，由法兰、垫片、螺栓、螺母材料匹配表进行选材，结果如表5-3所示。 表5-3 法兰、垫片、螺栓、螺母材料 法兰 垫片 螺栓 螺母 垫圈 16MnR 耐油橡胶石棉 40MnB 35 100HV 5.4 人孔的设计 为了安装、检修操作的方便，需在容器顶部封头上开一个人孔或手孔，当Di>1000mm时，需设一人孔。选用回转盖不锈钢人孔HGJ 505-86，其结构图如图5-4所示： 图5-4 人孔示意图 5.5 视镜的选型 本设计选用4个=80mm的视镜。其结构如图5-5： 图5-5 视镜结构示意图 表5-4 视镜材料 件号 名称 数量 材料 不锈钢 1 视镜玻璃 1 钢化硼硅玻璃（HGJ 501-86-0） 2 接缘 1 1Cr18Ni9Ti 3 衬垫 2 Pg10 4 压紧环 1 A3 5 螺柱 6 A3(GB897-76) 6 螺母 6 A3(GB52-76) 5.6 支座的选型与校核 5.6.1支座的选型及尺寸设计 夹套反应釜多为立式安装，最常用耳式支座。标准耳式支座（JB/T4735-92）分为A型和B型两种。当设备需要保温或直接支承在楼板上是选B型，否则选A型。本设计选耳式A型支座，支座材料为Q235-A 与夹套筒体材料不同，支座数量为4个，支座号为7，其结构如图5-6所示： 图5-6 支座示意图 A型耳式支座尺寸参数如表5-6： 表5-5耳式支座尺寸 允许载荷（Q/KN） 适用容积公称直径DN 高度H 底板 筋板 垫板 l1 b1 δ1 s1 l2 b2 δ2 l3 b3 δ3 e 200 1700~3400 480 375 280 22 130 300 300 14 600 480 14 70 5.6.2 反应釜支座型式强度校核计算 设定支座和型号与数目，计算出一个支座承受的载荷Q，当采用4个耳式支座来支承这台容器时，每个支座实际承受的载荷应按下式计算： ； (5-1) 式中： ――设备总质量（包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量），kg； G――重力加速度，取 g=9.81m/s； ――偏心载荷，N； K――不均匀系数，安装三个以上支座时，k=0.83； n――支座数量； h――水平力作用点至支座地板之间的距离，mm； ――偏心距，mm； f――螺栓分布圆直径，由以下公式计算 ； (5-2) P——水平力，取水平地震力和水平风载荷二者中的大值；和分别按下列而是计算： (5-3) (5-4) 式中： ――地震系数，对应8级地震选取0.45 ――风压高度变化系数 ――10米高处基本风压值，N/m ――容器外径，有保温层时取保温层外径，mm； ――容器总体高度，mm； 先确定式中所需各值： （1） 设备的总质量=9154kg桶内流体质量（假设为水）+2929kg筒体质量+1959kg封头质量+1526kg夹套质量+1012kg夹套封头质量+600kg搅拌器及各附件质量=17180kg ， 约为17200kg 。 （2）支座数目选择 n=4 ； （3）不均匀系数k取0.83 ； （4）偏心载荷=0 （5）水平力取和之大者 ①地震载荷： 风压高度变化系数 根据《化工设备设计手册》通过内插法得，高度在6.4mm 时的值为 0.58；10m高度处的基本风压值按在城市郊区的基本风压计算，取值550N / m2 ； ②风载荷： 求得23.9kN （6）螺栓分布圆直径f的计算： 每个支座实际承受的载荷为： 选定支座 A7 的允许载荷[Q]=200kN，[Q]>Q，支座符合许用载荷要求。 由于支座反力Q不通过容器筒壁的中面，所以Q力在支承筒体的同时，还对筒体作用有外力矩 M，其值可按式5-5计算； k N·m (5-5) 代入数值得 由JB/T 4712.3-2007《容器支座第3部分：耳式支座》可查得支座处壳体的允许外压[M]，夹套壳体厚10mm ，公称直径为2000mm ，内压为0.85MPa ，查得其[M]为 33.68 kN•m 。所以，所选择支座能承载，符合要求。 34 5.7 补强及补强方法判别 5.7.1 补强判别 根据表5-7，允许不另行补强的最大接管外径为48mm。本开孔外径远大该值，故需另行考虑其补强。 表5-6 接管厚度选取 接管公称 外径 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 4.0 5.0 6.0 7.0 所选接管的最小厚度不能达到不另行补强的要求，故接管都需要计算以确定是否需要额外补强措施。 5.7.2 等面积补强计算 夹套筒体： dn = 10mm,C =C1 +C2 = 1.25;上封头dn = 16mm,C =C1 +C2 = 1.25 人孔：Dn=500mm,dn= 6mm,C =C1+C2=0.8mm d £ DN = 80mm 的法兰： d = 82.6mm,dn = 4mm,det 3.2mm 5.7.3 允许开孔的范围 圆通上开孔限制，当其内径Di <1500mm时，开孔最大d £ 520mm ； 当其内径 D ³ 1500mm 时， 开孔最大直径 d £, 且d £ 1000mm 。 在夹套筒体上的导热油进出口接管管径89mm，但壁厚过小，不符合允许开孔范围。 凸形封头或球壳上开孔最大直径d £。封头处安装所用接管与人孔d<900mm ， 符合允许开孔范围。 · 5.7.4 所需最小补强面积A对于受内压的圆筒或球壳 A =dd+ 2ddet (1-fr ) (5-6) 式中 A——开孔削弱所需要的补强面积，mm； d——开孔直径，mm； d——壳体开孔处的计算厚度，mm； det ——接管的有效厚度， f r ——强度削弱系数， 等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，接管材料实为0Cr18Ni9， 在 t=250 o C 时，[d]=105MPa ，筒体材料为 16MnR,在 t=250oC，[d]=134M P fr= 人孔所需最小补强面积： A =dd+ 2ddet (1-fr ) = 512 ´ 5 + 2 ´ 5´ 5.2 ´(1- 0.75)= 2571mm2 DN = 80mm 的法兰所需最小补强面积： A =dd+ 2ddet (1-fr ) =82.6 ´ 5 + 2 ´ 5´ 3.2 ´(1- 0.78)= 420mm2 DN = 100mm的法兰所需最小补强面积： A =dd+ 2ddet (1-fr ) =102.6 ´ 5 + 2 ´ 5´ 3.2 ´(1- 0.78)= 520mm2 Dn = 50mm的法兰所需最小补强面积： A =dd+ 2ddet (1-fr ) =51.6 ´ 5 + 2 ´ 5´ 2.8´(1- 0.78)= 264mm2 5.7.5 有效补强范围 在壳体上开孔处的最大应力在孔边，并随离孔边距离的增加而减少。如果在离孔边一定距离的补强范围内，加上补强材料， 可有效降低应力水平。 B=2d,B=d+2dn+2det，B取二者中较大